¿Podrían los láseres sintetizar elementos pesados ​​producidos en las fusiones de estrellas de neutrones? – Mundo de la Física

Un proceso astrofísico que crea elementos más pesados ​​que el hierro puede ser aún más difícil de reproducir en el laboratorio de lo que se creía anteriormente, pero no imposible. Esta es la conclusión de investigadores del Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) en Francia, quienes informan que las condiciones de reproducción que se observan típicamente durante las fusiones de estrellas de neutrones requerirán mejoras importantes tanto en las fuentes de protones como de neutrones. Esta idea es crucial, dicen, porque proporciona un marco más realista para esfuerzos futuros para replicar procesos estelares.

Muchos elementos más pesados ​​que el hierro se forman mediante el llamado r-proceso, donde r se refiere a la captura rápida de neutrones. Este proceso ocurre cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, creando una gran cantidad de neutrones libres. En estos entornos ricos en neutrones, los núcleos atómicos capturan neutrones mucho más rápido de lo que pueden perderlos mediante la desintegración beta (que ocurre cuando un núcleo emite un electrón o positrón energético, transformando así uno de sus neutrones en un protón).

Los científicos creen que la r-El proceso es la fuente de aproximadamente la mitad de todos los elementos pesados ​​que se encuentran hoy en el universo. Sin embargo, no se comprenden completamente las condiciones exactas necesarias para facilitar la captura rápida de neutrones. Esto se debe a que es extremadamente difícil generar los flujos de neutrones de muy alta densidad necesarios para crear isótopos ricos en neutrones en el laboratorio.

Un sistema láser de múltiples petavatios de próxima generación

La buena noticia es que las fuentes de neutrones impulsadas por láser (pulsadas) podrían producir los tipos de haces de neutrones necesarios. En el enfoque desarrollado por Vojtěch Horný y colegas en el LULI, un láser de este tipo dirigiría primero pulsos de luz ultraintensos hacia un objetivo sólido. Esto provocaría que los iones de hidrógeno de una capa contaminante en la superficie del objetivo se aceleraran a una fracción significativa de la velocidad de la luz, explica Horný. Estos iones de hidrógeno luego se dirigirían a un objetivo secundario hecho de oro que serviría como convertidor de neutrones y como objetivo de captura de neutrones.

“A diferencia del método tradicional que acelera los deuterones [iones pesados ​​de hidrógeno] para reacciones de fusión en un convertidor de bajo número atómico (por ejemplo, uno hecho de berilio) para liberar neutrones, nuestro enfoque aprovecha un sistema láser de múltiples petavatios de nueva generación para desencadenar un proceso de espalación más eficiente en materiales de alto número atómico”, dice Horný Mundo de la física. "Aquí, los protones acelerados a energías en el rango de cientos de megaelectronvoltios (MeV) golpean un núcleo pesado, liberando una mayor cantidad de neutrones".

Formas de mejorar la producción de neutrones

Horný afirma que el objetivo de este método, descrito en Physical Review C, es mejorar significativamente la producción de neutrones. Utilizando simulaciones numéricas, él y sus colegas calcularon que los láseres disponibles actualmente producirían una cantidad insignificante de isótopos ricos en neutrones (definidos como aquellos con al menos dos neutrones más que el núcleo inicial).

Sin embargo, sería posible realizar un buen recuento de isótopos si los neutrones se redujeran a energías muy bajas (20 milielectronvoltios, correspondientes a la temperatura del hidrógeno sólido). Velocidades tan lentas aumentarían la probabilidad de que los neutrones sean capturados. También sería necesario pulsar el láser a una frecuencia de 100 Hz durante varias horas.

Todo esto es mucho pedir, pero Horný no se da por vencido. “A pesar de la aleccionadora constatación de que las fuentes actuales de protones y neutrones impiden la observación a corto plazo del r-Procesamiento mediante fuentes de neutrones impulsadas por láser, nuestro trabajo ha sentado una base importante”, afirma. También hay motivos para tener esperanzas respecto del progreso tecnológico. Horný cita como ejemplo una situación en curso proyecto en la Universidad Estatal de Colorado en Estados Unidos, donde los investigadores están construyendo dos láseres de 200 julios, 100 femtosegundos y 100 Hz. Este proyecto, afirma, “representa un importante paso adelante”.

El intenso flujo de neutrones que describió el equipo podría tener otras aplicaciones, añade Horný. Estos incluyen la reconstrucción de la composición elemental de un material mediante radiografía de resonancia de neutrones rápidos; activación rápida de neutrones; y terapia con neutrones rápidos en medicina.

El equipo LULI ahora se está preparando para fabricar la fuente láser propuesta, con la esperanza de lograr parámetros de neutrones récord utilizando el Sistema láser Apollon. Horný, por su parte, se ha trasladado a la Infraestructura ligera extrema-Física nuclear (ELI-NP) en Rumania, donde su trabajo como científico investigador se centrará en el avance de la aceleración de electrones e iones, así como en la generación de radiación de alta energía a partir de interacciones láser-plasma. La nueva función, afirma, implica explorar diversas fuentes de partículas secundarias, incluidos los neutrones.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/could-lasers-synthesize-heavy-elements-produced-in-neutron-star-mergers/